漫談電子、電氣設備中的電磁兼容性問題

1． 引 言

　　20世紀90年代以后，一種新的（電磁垃圾污染）已被提到環(huán)保日程上來了。電磁垃圾污染不像其它污染那樣:看得見、摸得著、聞得出。它分布在空中,潛伏于地下,能造成飛機、輪船、車輛和電氣、電子產(chǎn)品運行失常、失靈，甚至被損壞；還會損害人類身體健康，導致人體多種疾病的出現(xiàn)。它是無形的殺人兇手，是 “電磁世界”里的“海、陸、空恐怖分子”。并且不受時間、空間和國界的約束，隨時都可能向人類發(fā)起進攻。由電磁垃圾污染造成的經(jīng)濟損失及與其它污染相比，有過之而無不及。例如，20世紀70年代，美國研制的“防空計算機系統(tǒng)”在運行過程中，曾兩次發(fā)出“前蘇聯(lián)要襲擊美國”的緊急警報,致使基地的導彈推出彈井且頂上了發(fā)射架，轟炸機、戰(zhàn)斗機也發(fā)動起來了，士兵爬上了運兵車，作好了戰(zhàn)斗準備。場面頓時一片混亂，如臨大敵。后來中心控制室發(fā)現(xiàn)，是中心計算機受電磁騷擾產(chǎn)生了誤觸發(fā)，結果是一場虛驚。又如，美國紐約某銀行在一次結算時，突然發(fā)現(xiàn)欠另一家銀行350億美元巨款，銀行總經(jīng)理聞知后，當即嚇得昏了過去，后經(jīng)逐級查賬后發(fā)現(xiàn)，是計算機在運行中出了錯，也是由于外來電磁騷擾所致。在我國，幾年前，中央電視臺也曾報道過廣東白云機場附近尋呼臺林立，強大的電磁騷擾造成客機不敢起飛和降落的事件。受電磁騷擾危害的例子還有很多，不勝枚舉。更讓人擔心的是，在倉庫重地和軍事要地，會因為一點點放電火花就可能引起油庫、軍火庫爆炸。強烈的高頻電磁場還會引起導彈自動發(fā)射。這些事故一旦發(fā)生，其后果的嚴重性將不亞于美國 “9.11”事件?？梢?，電磁垃圾造成的嚴重的電磁污染，已成為社會環(huán)境中一大公害，一大隱患，必須引起世界各國政府和軍方的高度重視。

　　2． 的含義

　　電磁兼容，顧名思義是“兼容”即“兼顧”／“容忍”，但電磁兼容（E1ectromagnetic Compatibility，簡寫為EMC）并不是指電與磁之間的兼容，電與磁是不可分割的，相互共存的一種物理現(xiàn)象、物理環(huán)境。國際電工委員會（IEC）對EMC的定義是：指在不損害信號所含信息的條件下，信號和干擾能夠共存。研究電磁兼容的目的是為了保證電器組件或裝置在電磁環(huán)境中能夠具有正常工作的能力，以及研究電磁波對社會生產(chǎn)活動和人體健康造成危害的機理和預防措施。它是與電磁環(huán)境密切相關的一門綜合性極強的邊緣科學。主要以電氣、電子科學理論為基礎，研究并解決各類電磁污染問題。其理論基礎包括數(shù)學、電磁場微波理論、天線與電波傳播、電路理論、信號分析、通訊理論、材料科學、生物醫(yī)學、電子對抗、通信地質(zhì)工程等等，可以說電磁兼容技術是一個正在不斷發(fā)展的新型綜合性學科，也是一門工程性極強的應用技術。
　　
?????? 電磁兼容技術研究有兩個特點：a．涉及范圍較廣，包括自然界中各種電氣電磁干擾，以及各種電器、電子設備的設計、安裝和各系統(tǒng)之間的電磁干擾等；b．技術難度大，因為干擾源日益增多，傳播的途徑也是多種多樣的，在軍工、電力、通訊、交通和工礦企業(yè)普遍存在電磁干擾問題。電磁干擾對系統(tǒng)和設備是非常有害的，在電力系統(tǒng)供電網(wǎng)絡中，用戶的大功率電弧爐產(chǎn)生的沖擊負荷，倘若在設計中沒有考慮電磁兼容問題，將有可能給電網(wǎng)造成很大沖擊，會增大電網(wǎng)電磁場對電力系統(tǒng)設備和用戶電器設備可能帶來的潛在危害。

3． 電磁的主要來源及

　　3.1　 電磁污染的主要來源

　　電磁污染的來源包括：（1）雷電（包括核爆炸等強電磁脈沖）；（2）靜電及所有電氣的動作（包括正常及非正常的）過程。例如這幾種情況：（1）衛(wèi)星通信，飛機航行的智能化；（2）高層建筑、通信無線塔、超高壓輸電線路、油庫群、港口建筑、森林、古跡的防雷；（3）工廠自動化生產(chǎn)線、電氣牽引饋電系統(tǒng)的諧波，大型醫(yī)療設備。物理儀器，家用儀器，電動工具、移動電話、遙控儀表、集成模塊，印刷電路板等。（4）絕緣物體的相對摩擦也會產(chǎn)生可怕的靜電效應。例如，高速飛行器與大氣的相對運動、合成材料的纏繞、流體（石油、天然氣等）的高速傳輸、化纖織物與人體的摩擦等。由于靜電積聚的隱蔽性和釋放過程的突發(fā)性，造成的危害程度不亞于諧波和強電磁脈沖?？傊?，凡有電磁現(xiàn)象存在的地方都有EMC問題。除了天電(如雷電)電磁垃圾源外，其它電磁垃圾源就在我們周圍?？茖W技術發(fā)展到今天，廣播、通信、信息技術設備，工程醫(yī)療設備、電子測量設備以及家用電器等各種電氣、電子產(chǎn)品在大量的使用，它們在為人類造福的同時，也會發(fā)出輻射騷擾和傳導騷擾，還有人體靜電對產(chǎn)品的放電產(chǎn)生的電磁騷擾，它們都給其它用電產(chǎn)品和人類生活帶來了危害。它們在工作運行期間，通過輻射把 “電磁垃圾”排向空中騷擾其它用電產(chǎn)品；通過濾波器把“電磁垃圾”注入地下，形成地電流，還會對其它用電產(chǎn)品造成共模騷擾；通過電源線把“電磁垃圾”送到低壓電網(wǎng)，會騷擾電網(wǎng)。也就是說，電磁垃圾源來自那些對外發(fā)射強電磁騷擾信號的電氣、電子產(chǎn)品身上。如果不對嚴重的電磁垃圾源加以治理，電磁環(huán)境就會更加惡劣。

　　3.2　 電磁污染的主要危害

　　3.2.1　 電磁污染對人體的影響

　　近年來，電磁污染對人體健康的影響己日益引起人們的重視，日本、瑞典、美國的學者均提出了人類生活環(huán)境下最低的磁場強度允許值。在國際上，把電氣、電子產(chǎn)品或系統(tǒng)使用的電磁環(huán)境分為A、B兩類，分別規(guī)定了電磁發(fā)射的限值電平。A類環(huán)境即工業(yè)環(huán)境，指有工、科、醫(yī)射頻設備的環(huán)境；頻繁切斷大感性負載、大容性負載的環(huán)境；大電流并有強磁場的環(huán)境等。B類環(huán)境即居民區(qū)、商業(yè)區(qū)及輕工業(yè)環(huán)境，指居民群樓、商業(yè)零售網(wǎng)點。商業(yè)大樓、公共娛樂場所、戶外場所（如加油站、停車場、游樂場、公園、體育場等）。對人體健康方面的危害分為軀體效應和種群效應，其中的軀體效應分為熱效應和非熱效應，熱效應的機理人們已經(jīng)了解得比較清楚了,人體接受電磁輻射后,體內(nèi)的水分子會隨電磁場的方向的轉(zhuǎn)換快速運動而使機體升溫.如果吸收的輻射能很多,靠體溫的調(diào)節(jié)來不及把吸收的熱量散發(fā)出去,則會引起體溫升高,并進而引發(fā)各種癥狀。但對非熱效應的機理了解還不充分,它確實存在,它指吸收的輻射能不足以引起體溫升高，但卻會使人出現(xiàn)生理方面的變化或反應。這類效應包括神經(jīng)衰弱癥等疾病，電磁輻射還會使人得癌癥；種群效應不是短時間可以觀察到的,也許會使人類變得更加聰明,也許相反會使人類的發(fā)展受到影響。電磁場對人體的影響，與頻率值的大小有關。長期以來關于工頻電磁場對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有無影響的問題,各國學者一直有著不同的看法。國內(nèi)外有許多關于高壓，超高壓輸電線和變電站的勞動衛(wèi)生學調(diào)查報告指出：神經(jīng)衰弱和記憶力減退是工頻電磁場作業(yè)人員最常見的癥狀。目前認為工頻電磁場對中樞神經(jīng)的作用主要由電場引起，這一觀點可在動物實驗中得到佐證。工頻電磁場與腫瘤發(fā)生的關系：許多調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電磁場的職業(yè)暴露雖然可能增加腫瘤的發(fā)生風險，尤其是白血病、淋巴系統(tǒng)腫瘤和神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤，但這種風險程度并不高，沒有統(tǒng)計學意義。但是應該指出，如果在生產(chǎn)環(huán)境中同時存在著其他較強的致癌因素時，工頻電磁場的這個作用就不容忽視。工頻電磁場對生殖的影響：統(tǒng)計表明，懷孕早期使用電熱毯與流產(chǎn)的發(fā)生率增高有關，但是孕中期使用電熱毯的流產(chǎn)發(fā)生率卻會減少。國外Nordstrom等首次報道：對542名電廠工人進行回返性調(diào)查發(fā)現(xiàn)，凡父親在高壓調(diào)度室工作的，子女患先天性畸形的比例增高。


射頻電磁場對人體的影響：（1）對神經(jīng)系統(tǒng)的影響：接觸高頻電磁場輻射后，開始會出現(xiàn)嗅閾值增高及暗適應事件延長的情況。據(jù)報道長時間接觸較高強度的射頻電磁輻射后，可能引起腦電圖的某些改變。（2）對心血管系統(tǒng)的影響：在長期接觸高頻電磁場后，人的低血壓或血壓偏低發(fā)生率會增高。（3）對內(nèi)分泌系統(tǒng)的影響：上海市對某塑料廠160名常接觸較高場強的（從事高頻介質(zhì)加熱作業(yè)）女工進行了衛(wèi)生學調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些女工非哺乳性泌乳癥狀顯著增加，月經(jīng)周期異常現(xiàn)象明顯增多，這些主要是由于神經(jīng)-體液的混亂引起的。

? 微波電磁場對人體會產(chǎn)生急性微波輻射損傷，當受到過量微波輻射后，可能造成人體的若干種組織和器官的急性損傷。急性微波損傷大致有頭痛，惡心，目眩，徹夜失眠，輻射局部燒灼感等。但一般經(jīng)過一段時間休息后，人的這些癥狀一般均會消失。較長時間接觸低強度的微波輻射，可引發(fā)人的某些生理功能的混亂，也會引起人的生化指標波動。
　　
?????? 表1是公眾照射極限值(GB8702-88)的情況。

　
表1　 人體最大允許暴露值一覽表

?????? 3.2.2　 電子、電氣產(chǎn)品電磁的相互影響

　　電子、電氣產(chǎn)品一般來說都相當復雜，大多數(shù)有種類繁多的分系統(tǒng)。外來電磁輻射、內(nèi)部元器件之間、分系統(tǒng)之間和各傳送通道間的竄擾，對產(chǎn)品及其數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的干擾與破壞，嚴重地威脅著其工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。據(jù)統(tǒng)計，干擾引起的電子、電氣設備的事故占總事故的90%左右。它的電磁干擾主要表現(xiàn)為電磁輻射，電磁輻射包括兩個含義，首先是指主設備及其輔助設備產(chǎn)生的無意干擾對外界的輻射或傳導，不僅存在對外的泄漏，而且在比較寬的頻率范圍已超過界限值，其覆蓋的頻率對無線電廣播、電視等家用電器有威脅。泄漏的另一個含意是指有用的信息泄漏，它們雖然不一定是強信號，但是其影響往往是從相對關系認定的，在對某信息感興趣時，截獲者會利用放大、特征提取、解密或解碼的方式來獲取，即使是很小的信號，采用現(xiàn)代化的信息處理技術也是可能截獲的，而被截獲的，絕不次于設備工作被干擾。電磁輻射還表現(xiàn)在：對周圍的電子系統(tǒng)構成窄帶與寬帶干擾造成潛在的信息泄漏問題。
　　
?????? 電氣設備對周圍事物造成干擾主要還包括：（1）電暈：是由于導體表面的電位梯度過大，引起向空氣中放電而產(chǎn)生的高頻電磁噪聲，其頻譜的主要分量在幾兆赫以下。其以dB表示的強度，隨電位梯度的升高而增加，而導體表面的電位梯度不僅取決于電壓等級，而且還直接與導線的等效表面積有關。（2）火花放電：由于線路上局部的絕緣被破壞、絕緣子污穢。金具接觸不良等而產(chǎn)生的火花放電，其頻譜范圍可能高達百兆赫，其幅度變化范圍很大，可能遠大于電暈放電。（3）工頻電場：其表現(xiàn)形式主要存在于導線對大地之間。其強度主要取決于電壓等級。對于直流輸電線路則為一個純的靜電場。（4）工頻磁場：由于工頻頻率很低，波長很長（50Hz的波長為6000km），因而距線路雖較遠仍為近場，磁場與電場必須分別考慮。其強度主要取決于導線的載流量。但其隨距離的衰減很快。（5）無源干擾：輸電線路及其桿塔，即使在未送電的條件下，也會對電磁波的傳播形成影響（例如對雷達信號、短波通信等），稱為無源干擾。（6）地電流：對于交流三相系統(tǒng)不平衡時的中線或直流輸電線路以地作為回路的情況，地電流有時頗為可觀。當處理不當時，會造成地電位升或?qū)Φ叵鹿芫€腐蝕。以上數(shù)種騷擾源，可能會對不同的敏感設備造成干擾。不同的騷擾源的影響不同。值得注意的是：如處理不當，這些騷擾的強度將隨線路的電壓等級而提高。而提高電壓是輸電系統(tǒng)的必然趨勢。因之對性提出了相應的高要求。

4. 電磁污染的及電磁兼容的標準

　　4.1　 電磁污染的防護
　　
?????? 抑制電磁污染的首要措施是找出污染源；其次是判斷污染侵入的路途。主要有傳導和輻射兩種方式，工作重點是確定干擾量。解決電磁兼容問題應從產(chǎn)品的開發(fā)階段開始，并貫穿于整個產(chǎn)品或系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)全過程。國內(nèi)外大量的經(jīng)驗表明，在產(chǎn)品或系統(tǒng)的研制生產(chǎn)過程中越早注意解決電磁兼容問題，越可以節(jié)約人力與物力。

電磁兼容技術設計的關鍵技術是對電磁干擾源的研究，從電磁干擾源處控制其電磁發(fā)射是治本的方法。控制干擾源的發(fā)射，除了從電磁干擾源產(chǎn)生的機理著手降低其產(chǎn)生電磁噪聲的電平外，還需廣泛地應用屏蔽（包括隔離）、濾波和接地技術。屏蔽主要運用各種導電材料，制造成各種殼體并與大地連接，以切斷通過空間的靜電耦合、感應耦合或交變電磁場耦合形成的電磁噪聲傳播途徑，隔離主要運用繼電器、隔離變壓器或光電隔離器等器件來切斷電磁噪聲以傳導形式的傳播途徑，其特點是將兩部分電路的地線系統(tǒng)分隔開來，切斷通過阻抗進行耦合的可能。
　　
?????? 濾波是在頻域內(nèi)處理電磁噪聲的技術，為電磁噪聲提供一條低阻抗的通路，以達到抑制電磁干擾的目的。例如，電源濾波器對50Hz的電源頻率呈現(xiàn)高阻抗，而對電磁噪聲頻譜呈現(xiàn)低阻抗。
　　
?????? 接地包括接地、信號接地等。接地體的設計、地線的布置、接地線在各種不同頻率下的阻抗等不僅涉及產(chǎn)品或系統(tǒng)的電氣安全，而且關聯(lián)著電磁兼容和其測量技術?！【唧w的技術方案可以歸納成如下幾類：
?????? (1)傳輸通道抑制： 具體方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、布線。
?????? (2)空間分離： 地點位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場矢量方向控制。
?????? (3)時間分隔： 時間共用準則、雷達脈沖同步、主動時間分隔、被動時間分隔。
?????? (4)頻率管理： 頻率管制、濾波、頻率調(diào)制、數(shù)字傳輸、光電轉(zhuǎn)換。
?????? (5)電氣隔離： 變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、ＤＣ/ＤＣ變換。

?????? 4.2 　的標準

　　當電氣或電子裝置在運作期間，其因電力所產(chǎn)生的電磁力不會干擾其他裝置的正常運作性能時，則稱這些裝置具電磁兼容性。歸納為：(1) 對其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾。(2) 對其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感。(3) 對系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。

　　5． 結語

　　電磁兼容技術的迅速發(fā)展，也刺激了對電磁兼容標準化工作的需求。一些發(fā)達國家在EMC技術的研究、標準的制定、EMC測試及認證方面處于領先地位。尤其是歐共體成員國關于EMC法律性指令（89／336／EEC指令）頒布以來，各國政府開始從商貿(mào)的角度考慮EMC問題，并采取相應措施加強了EMC標準及法規(guī)的制定和貫徹實施工作。我國雖然在EMC方面工作起步較晚，但有關部門正加緊工作，以跟上國際EMC工作的步伐。由于電磁干擾具有無時不有、無處不在的特征，決定了EMC無所不用的實際。電磁干擾及其抑制問題日益突出，本世紀的EMC科學將進一步吸收各專業(yè)、各學科的理論精華，充分發(fā)揮其邊緣性、交叉性的特點形成高度綜合、完整的大學科，同時它將在EMC預測、協(xié)調(diào)、監(jiān)控、應用等方面得到飛速發(fā)展。